rp集成视角下定制化金年会体育产品设计系统构建

　　第37卷 第10期 2015-10(上) 【147】【146】 第37卷 第10期 2015-10(上)RE—RP集成视角下定制化产品设计系统构建王金凤，张璐瑶，岳俊举，王延锋WANGJing-feng,ZHANGLu-yao,YUEJun-ju,WANGYan-feng（作者地址）要：作为产品设计制造的两种先进工具，逆向工程（RE）与快速成型（RP）两种技术融合可以改变产业链的运作模式。本文在分别分析RE和RP基本工作流程的基础上，结合产品个性化定制发展趋势，形成了一种RE和RP融合的产品个性化定制设计制造系统，以期从产品使用者角度入手改变产品设计制造的生产方式，成为产品定制制造的主流技术。关键词：RE技术；RP技术；定制化；产品设计系统中图分类号：A文献标识码：A文章编号：1009-0134(2015)10(上)-0146-04Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2015.19.38收稿日期：2015-06-04作者简介：王金凤（1963-），女，河南焦作人，博士，教授，博士生导师，主要从事安全管理工程、物流工程、工业工程等方面的研究。引言在美国最新预测的“改变未来的十大科技”中，“个性化定制”位居前列，该判断来自于市场的变化趋势。在我国，定制化已广泛存在于生产金年会体育、生活、商业、服务等各个领域，在淘宝网输入“定制”一词即可搜索450余万件相关产品，定制化已存在于我们生活的各个方面。在市场需求的指引下，产品的设计制造过程更为高效且灵活，而消费者更加追求产品使用过程中的个性。因此，现代制造业正从单品种、大批量、长周期的生产模式向多品种、小批量、短周期方向发展，这种改变将颠覆传统的制造业生产模式，对人们的生产和生活产生巨大影响。一直以来，诸多学者在对未来制造业的发展趋势分析中普遍提到定制化、个性化发展模式，定制化伴随着知识经济、体验经济的发展而不断发展。目前，国内外学者围绕定制化制造和逆向工程方面进行了大量研究，多集中于以下几方面：1）针对于技术改进及数据搜集和处理方面，Lengagne提出了用激光扫描仪自动采集工件外形数据的方法；李玉蓉等人阐述了逆向工程作业流程，并探讨了逆向工程整体的关键技术；JesusNuevo等采用坐标测量机和激光传感器将自由形状曲面进行了数字化处理。在数据处理方面，诸多学者在测点噪声处理、多视拼合、数据分块和数据压缩的研究中取得大量的研究成果[5,6]。2）针对于单一行业特征进行快速成形技术定制化的研究，如：叶凯针对钟表行业分析了制造业工业设计的重要性及技术制约因素，实例验证了RE/RP/CAM集成技术在钟表制造行业工业设计中的应用及意义；雷蔓、吕健等集中解决了传统方法对复杂曲面工艺品数字化保护与开发的局限性，将逆向工程、CAD/CAM、3D打印技术应用于曲面复杂的工艺品保护与开发，有效地缩短了生产周期，为民族工艺品的数字化保护与开发提供了新途径。综上所述，目前国内外对于定制化的研究多集中在私人定制、大规模定制、即时顾客化定制以及个性化需求预测等方面，多从生产技术、个性化心理需求及消费需求、把控定制化生产管理的层面进行研究论述，针对于定制化产品设计系统构建的研究相对较少，为数不多的文献提及定制化设计系统的研究并从单一行业设计进行了论证，主要涉及生物医学行业，较少考虑多行业广泛适用的产品设计系统。因此，本文在现有文献基础上，运用集成系统思想，通过对RE与RP制造原理进行分析，拟构建RE—RP定制化产品设计系统并进行实证研究，以期为我国制造业定制化发展提供理论支持。RE与RP制造原理概述定制化产品设计主要包括设计数据开发和产品快速制造两部分。产品设计数据一方面源于新产品的开发，另一方面源于对已有产品特征尺寸进行修复与再制造，其作用是满足产品个性化设计需求；产品快速制造是摒弃传统制造工艺，依据产品设计数据使生产过程数字化，从而不受任何复杂形状限制，实现产品个性化定制过程。在定制化产品设计过程中，逆向工程技术为产品设计数据的开发提供了技术支持，快速成型技术则使产品快速制造成为可能，其涉及的制造原理主要包括逆向工程技术、快速成形技术和RE—RP产品设计系统。1.1逆向工程技术逆向工程（ReverseEngineeringRE）也称反求工程或反向工程，是一门跨学科、跨专业、复杂的系统工程，主要包括影像逆向、软件逆向和实物逆向等，主要以实物逆向为主。故狭义的逆向工程是实物转变为CAD模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造等技术的总称，是一个将已有产品或实物模型转化为工程设计模型和概念模型，并在此基础上对已有产品进行解剖、深化和再创造的过程[10]。目前该技术主要应用于已有产品特征尺寸的提取、产品的检测、磨损零部件或艺术品的修复与重现、新产品的设计与开发等方面。一般而言，CAD模型的重建方案有两种：一是基于正向的商品化CAD/CAM系统软件的产品模型设计；二是基于逆向造型软件的CAD建模，如Imageware、Geomagic等。逆向CAD建模首先通过测量扫描及各种先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后利用成熟的CAD/CAM技术，快速、准确地建立实体几何模型。在工程分析基础上，可对几个模型优化并进行创新设计，从而实现产品的个性化设计要求，RE技术的基本流程图如图1所示。RE技术基本流程图1.2快速成型技术快速成型技术（RapidPrototyping，RP）是一种多学科交叉的高新技术，将精密机械、新材料技术、激光、计算机辅助技术和计算机数字控制技术等融合为一体，以实现快速有效的实物加工制造[11]。RP技术基于离散与堆积成型思想，其基本流程主要包括构造三维模型、近似处理、切片处理、成型及后处理五部分，具体如图2所示。构造三维模型模型近似处理切片处理快速成型工艺三维产品（样品/模具）后处理RP技术基本流程图RP技术可制作出任意形状或细微机构的物体，完全摆脱切削加工限制，克服手工模型易失真的缺陷，有利于节省模具费用，在减少70%以上的制造成本的同时缩短90%的加工时间。目前RP技术应用最广泛的种类主要有五种：光固化成型（SLA）、叠层实体制造（LOM）、选区激光烧结（SLS）、熔融沉积制造（FDM）和三维打印快速成型（3DP）。上述五种快速成型技术工艺对比分析如表1所示。1.3RE—RP产品设计系统RP与RE技术相结合推动了其在标准化定制行业的发展，其主要优势在于可制造传统加工方法无法或难以加工的个性化定制产品等。在具体应用过程中，RE为RP技术提供成型数据，RP技术为产品制造提供技术前提和保障，两者融合将彻底改变传统产品的开发设计和制造模式。如图3所示，RE—RP产品设计制造系统能够在已有原型的基础上进行仿制，并对其进行修复和产品的再设计与再制造，且能快速将设计理念转化为具有相应功能SLA、LOM、SLS、FDM和3DP技术的比较成型工艺SLALOMSLSFDM 3DP 成型精度 较高较低 较低 较高 成型复杂度 复杂 简单 复杂 中等 复杂 成型空间 中、小件 中、大件 中、小件 中、小件 中、大件 成型速度 较快 较慢较慢 材料类型液体材料 片状材料 粉状材料 丝状材料 粉状、片状、丝状、液状等 成型材料 热固性光敏 树脂等 纸、塑料薄膜、 陶瓷箔、金属箔等 蜡粉、塑料粉、金属粉、 覆膜金属粉、陶瓷粉等 塑料丝、石蜡丝、尼 龙丝、低熔点金属等 PLA、橡胶、塑料、金属、粉 末、树脂、石蜡、石膏粉等 制造成本 较高 较低较低 较低 第37卷  第10期  2015-10(上)  【147】 【146】  第37卷  第10期  2015-10(上) RE—RP集成视角下定制化产品设计系统构建 王金凤，张璐瑶，岳俊举，王延锋WANG Jing-feng, ZHANG Lu-yao, YUE Jun-ju, WANG Yan-feng （作者地址） 要：作为产品设计制造的两种先进工具，逆向工程（RE）与快速成型（RP）两种技术融合可以改变产业链的运作模式。本文在分别分析RE和RP基本工作流程的基础上，结合产品个性化定制 发展趋势，形成了一种RE和RP融合的产品个性化定制设计制造系统，以期从产品使用者角度 入手改变产品设计制造的生产方式，成为产品定制制造的主流技术。 关键词：RE技术；RP技术；定制化；产品设计系统 中图分类号：A 文献标识码：A 文章编号：1009-0134(2015)10(上)-0146-04 Doi：10.3969/j.issn.1009-0134.2015.19.38 收稿日期：2015-06-04 作者简介：王金凤（1963 -），女，河南焦作人，博士，教授，博士生导师，主要从事安全管理工程、物流工程、工业 工程等方面的研究。 引言在美国最新预测的“改变未来的十大科技”中， “个性化定制”位居前列，该判断来自于市场的变化趋 势。在我国，定制化已广泛存在于生产、生活、商业、 服务等各个领域，在淘宝网输入“定制”一词即可搜索 450余万件相关产品，定制化已存在于我们生活的各个 方面。在市场需求的指引下，产品的设计制造过程更为 高效且灵活，而消费者更加追求产品使用过程中的个性 。因此，现代制造业正从单品种、大批量、长周期的生产模式向多品种、小批量、短周期方向发展，这种 改变将颠覆传统的制造业生产模式，对人们的生产和生 活产生巨大影响。 一直以来，诸多学者在对未来制造业的发展趋势分 析中普遍提到定制化、个性化发展模式，定制化伴随着 知识经济、体验经济的发展而不断发展。目前，国内外 学者围绕定制化制造和逆向工程方面进行了大量研究， 多集中于以下几方面：1）针对于技术改进及数据搜集 和处理方面，Lengagne 提出了用激光扫描仪自动采集工件外形数据的方法；李玉蓉等 人阐述了逆向工程作业流程，并探讨了逆向工程整体的关键技术；Jesus Nuevo等 采用坐标测量机和激光传感器将自由形状曲面进行了数字化处理。在数据处理方面，诸多学者在测 点噪声处理、多视拼合、数据分块和数据压缩的研究中 取得大量的研究成果 [5,6] 。2）针对于单一行业特征进行 快速成形技术定制化的研究，如：叶凯 针对钟表行业分析了制造业工业设计的重要性及技术制约因素，实例 验证了RE/RP/CAM集成技术在钟表制造行业工业设计 中的应用及意义；雷蔓、吕健等 集中解决了传统方法对复杂曲面工艺品数字化保护与开发的局限性，将逆向 工程、CAD/CAM、3D打印技术应用于曲面复杂的工艺 品保护与开发，有效地缩短了生产周期，为民族工艺品 的数字化保护与开发提供了新途径。 综上所述，目前国内外对于定制化的研究多集中 在私人定制、大规模定制、即时顾客化定制以及个性化 需求预测等方面，多从生产技术、个性化心理需求及消 费需求、把控定制化生产管理的层面进行研究论述，针 对于定制化产品设计系统构建的研究相对较少，为数不 多的文献提及定制化设计系统的研究并从单一行业设计 进行了论证，主要涉及生物医学行业，较少考虑多行业 广泛适用的产品设计系统。因此，本文在现有文献基础 上，运用集成系统思想，通过对RE与RP制造原理进行 分析，拟构建RE—RP定制化产品设计系统并进行实证 研究，以期为我国制造业定制化发展提供理论支持。 RE与RP制造原理概述定制化产品设计主要包括设计数据开发和产品快速 制造两部分。产品设计数据一方面源于新产品的开发， 另一方面源于对已有产品特征尺寸进行修复与再制造， 其作用是满足产品个性化设计需求；产品快速制造是 摒弃传统制造工艺，依据产品设计数据使生产过程数字 化，从而不受任何复杂形状限制，实现产品个性化定制 过程。在定制化产品设计过程中，逆向工程技术为产品 设计数据的开发提供了技术支持，快速成型技术则使产 品快速制造成为可能 ，其涉及的制造原理主要包括逆向工程技术、快速成形技术和RE—RP产品设计系统。 1.1 逆向工程技术 逆向工程（Reverse EngineeringRE）也称反求工程 或反向工程，是一门跨学科、跨专业、复杂的系统工 程，主要包括影像逆向、软件逆向和实物逆向等，主要 以实物逆向为主。故狭义的逆向工程是实物转变为CAD 模型相关的数字化技术、几何模型重建技术和产品制造 等技术的总称，是一个将已有产品或实物模型转化为工 程设计模型和概念模型，并在此基础上对已有产品进行 解剖、深化和再创造的过程 [10] 。目前该技术主要应用于 已有产品特征尺寸的提取、产品的检测、磨损零部件或 艺术品的修复与重现、新产品的设计与开发等方面。 一般而言，CAD模型的重建方案有两种：一是基 于正向的商品化CAD/CAM系统软件的产品模型设计； 二是基于逆向造型软件的CAD建模，如Imageware、 Geomagic等。逆向CAD建模首先通过测量扫描及各种 先进的数据处理手段获得产品实物信息，然后利用成熟 的CAD/CAM技术，快速、准确地建立实体几何模型。 在工程分析基础上，可对几个模型优化并进行创新设 计，从而实现产品的个性化设计要求，RE技术的基本 流程图如图1所示。 RE技术基本流程图1.2 快速成型技术 快速成型技术（Rapid Prototyping，RP）是一种多 学科交叉的高新技术，将精密机械、新材料技术、激 光、计算机辅助技术和计算机数字控制技术等融合为一 体，以实现快速有效的实物加工制造 [11] 。RP技术基于 离散与堆积成型思想，其基本流程主要包括构造三维模 型、近似处理、切片处理、成型及后处理五部分，具体 如图2所示。 构造三维模型 模型近似处理 切片处理 快速成型工艺 三维产品（样品/模具） 后处理 RP技术基本流程图RP技术可制作出任意形状或细微机构的物体，完 全摆脱切削加工限制，克服手工模型易失真的缺陷，有 利于节省模具费用，在减少70%以上的制造成本的同时 缩短90%的加工时间。 目前RP技术应用最广泛的种类主要有五种：光固 化成型（SLA）、叠层实体制造（LOM）、选区激光烧 结（SLS）、熔融沉积制造（FDM）和三维打印快速成 型（3DP）。上述五种快速成型技术工艺对比分析如表 1所示。 1.3 RE—RP产品设计系统 RP与RE技术相结合推动了其在标准化定制行业的 发展，其主要优势在于可制造传统加工方法无法或难以 加工的个性化定制产品等。在具体应用过程中，RE为 RP技术提供成型数据，RP技术为产品制造提供技术前 提和保障，两者融合将彻底改变传统产品的开发设计和 制造模式。 如图3所示，RE—RP产品设计制造系统能够在已有 原型的基础上进行仿制，并对其进行修复和产品的再设 计与再制造，且能快速将设计理念转化为具有相应功能 SLA、LOM、SLS、FDM和3DP技术的比较成型工艺 SLA LOM SLS FDM 3DP 成型精度 较高较低 较低 较高 成型复杂度 复杂 简单 复杂 中等 复杂 成型空间 中、小件 中、大件 中、小件 中、小件 中、大件 成型速度 较快 较慢较慢 材料类型液体材料 片状材料 粉状材料 丝状材料 粉状、片状、丝状、液状等 成型材料 热固性光敏 树脂等 纸、塑料薄膜、 陶瓷箔、金属箔等 蜡粉、塑料粉、金属粉、 覆膜金属粉、陶瓷粉等 塑料丝、石蜡丝、尼 龙丝、低熔点金属等 PLA、橡胶、塑料、金属、粉 末、树脂、石蜡、石膏粉等 制造成本 较高 较低较低 较低 第37卷  第10期  2015-10(上)  【149】 【148】  第37卷  第10期  2015-10(上) 的模型实体，缩短新产品设计周期，降低产品开发风险 及成本，快速响应市场变化，提高企业竞争力。 RE—RP定制化产品设计系统构建产品个性化定制需求是市场细分背景下的必然趋 势，是以“用户需求”为核心拥有自我实现的个性化产 品设计。产品使用者作为创新设计的主体应参与到整个 创新设计和制造过程，而RE—RP技术将RE技术与RP技 术两种技术相融合，可以形成一种新的产品设计系统， 为定制化设计提供技术支持和手段。 2.1 RE—RP定制化产品设计流程 RE—RP定制化产品设计系统影响着产品变为商品 的各个阶段，为开源设计提供了可能性，极大程度上改 变了产品的设计模式，其流程主要包括数据获取与处 理、产品CAD模型重建、基于RP技术的产品制造等三 个过程 [12] ，具体流程图如图4所示。 数据获取与处理 CAD模型重建 RP技术产品制造 RE技术 专用RE技术 RP技术 RE—RP定制化产品设计基本流程1）数据获取与处理 产品数据获取的实质是产品表面数字化处理过程， 通过特定的测量设备和测量方法，将物体表面形状转换 成离散的几何点坐标数据，高精度实现数据采集。目 前，采集物体表面数据的测量设备和方法有多种，其原 理也不尽相同，具体分类如图5所示，其中接触式测量 方法中三坐标测量机（CMM）应用最为广泛，而非接 触式测方法中，意大利ATOS测量系统是目前最成熟的 三维形状测量方法。 各种测量方法具体分类数据处理是指对测量后的数据进行简单的预处理， 如数据的删减、对齐、点云的修补、误差点的识别和去 除等。对测量数据进行预处理后，以某种格式输出， 常见的格式有ASCII、Auoform、Binary ATOS—Benz、 CLI、STL、RIS等，其中STL（StereoLithography interface Specification）格式是快速成型技术常用的一种 格式，可直接进行快速原型制造，也是RE—RP定制化 产品设计系统中最基本的一种数据格式。 2）产品CAD模型重建 实物三维CAD模型重建是整个过程中最关键、最 复杂的一环。目前国际上逆向工程商品化软件主要有两 种：专业逆向工程商品化软件和通用CAD软件专用模 块，其中专用逆向工程商品化软件主要有Imageware、 CopyCAD、Geomagic和RapidForm四大软件 [13] ，而通用 CAD软件主要有CATIA、UG和Pro/E三大模型重建软件 中集成模块。 为实现产品的个性化定制设计，曲面造型是CAD 模型重建过程中的关键步骤，常用的方法有插值函数 方法、参数样条法、Bezier法、B样条法等，国际标准 组织（ISO）在1991年颁布的工业产品几何定义STEP标 准中，非均匀有理B样条（Non—Uniform Rational Spline，简称为NURBS）曲面造型被定义为唯一的自由型曲线] ，有双参数变量分段有理多项式 定义的NURBS曲面是： =0,1，…，m；j=0,1，…，n；呈拓扑矩阵阵列，形成一个控制网格； 联系的权因子，规定四角顶点处用正权因子即w 0,0 由于产品使用者对产品集成化、多样化、知识化、个性化需求增强，使得个性化定制产品均属于复杂自由 曲面造型，为保证较高的精度和质量，同时避免单个 CAD模型重建软件对曲面修改能力不足、可控性差的 缺点，在模型重建过程中需不同模型重建软件的搭配使 用，以完成不同软件间数据格式的转换，国际上对数据 交换标准和相关组织如表2所示金年会体育。 国际数据交换标准和相关组织组织（简称） 标准 国际标准化组织（ISO） STEP产品数据交换标准 美国国家标准协会（MS） IGES初始图形交换标准 德国标准协会（DIN） V66304VAD程序接口 德国汽车制造协会（VAD） VDA—FS VDA曲面数据交换格式 产品CAD模型是由多张不同几何形状的曲面经过延 伸、过渡、裁剪等混合而成，每一种曲面有其特性和生 成方式，因此在曲面重构过程中仅使用某种曲面生成方 法无法完成整个模型的重构，应根据产品外形的几何特征 选择适当的处理方法，较好实现产品的个性化定制需求。 3）基于RP技术的产品制造 RP技术可通过逐点、逐面进行材料的“三维堆 砌”成型，再经过必要的处理，使其在外观、强度和性 能等方面达到设计要求，是一种增材制造的过程。 现以某公司生产的型号为INSPIRE450快速成型机为例 进行该过程说明：成型空间为360mm380mm450mm， 材料以ABS工程塑料为主，根据打印精度要求可选择 0.15mm、0.175mm、0.25mm、0.35mm等不同层片厚度， 通过调整填充线宽和填充间隔等参数实现产品模型的不 同强度要求。另外，在模型成型过程中，主材料温度控 制在260左右，而支撑材料温度控制在240作用，成 型室温度稳定在80作用，经过一系列不同参数设置与 组合可满足不同的成型要求。 2.2 RE—RP定制化产品设计系统特征分析 RE—RP定制化产品设计系统是一种基于RE技术与 RP技术融合的产品开发设计模式，可以为个性化定制 提供“样品数据产品的一体化”解决方案，同时为 制造业提供一个全新、高效的产品设计手段，具有以下 三大特征： 1）可以满足消费者对产品集成化、多样化和个性 化需求。RE—RP定制化产品设计系统融合了产品正向 设计制造和逆向造型设计的特点，RE技术和设备的发 展，可获得任意形状的扫描数据和模型，结合RP技术 不受产品复杂形状限制的特点，极大地提高产品个性化 设计能力，同时降低产品的设计制造周期。 2）广泛适用于几乎所有制造行业和非制造行业的 产品个性化定制设计。RE技术不受使用环境和使用场 合的限制，可以涵盖汽车业、通信业、家电业、玩具 业、模具业、航天业、五金业、运动器材业等多领域， 同时三维CAD模型重建软件的智能化发展，更适应于非 专业设计人员对产品的个性化设计。RP技术不仅可制 造比较难成形的零件，且适用于结构微小精细或者薄壁 形状的产品，有利于丰富该系统的适用范围。 3）基于网络技术实现线上线下产品定制化设计的 有机结合。利用RP技术进行个性化产品三维扫描，可 得到相应的数字模型，通过网络技术平台将数字模型上 传至产品生产企业，个性化定制产品有利于实现快速化 制造。 RE—RP定制化产品设计系统实践谨以一个性化定制水泵叶轮为例详细说明RE—RP 定制化产品设计的整个制造过程。 水泵叶轮是大功率大流程高扬程矿用潜水电泵的 主要零件，共有五个叶片，沿叶轮旋转中心呈螺旋状分 布，叶轮上表面从旋转中心向四周呈球面旋转下降，如 图6所示。由于水泵叶轮特殊的结构形状，国内产品机 加工制造技术无法满足实际要求，目前该水泵叶轮只能 依靠国外进口。 水泵叶轮点云数据根据RE—RP定制化产品设计系统可对特殊产品进 行仿制的特点，进行该水泵叶轮的再制造： 1）利用RE技术，对水泵叶轮三维特征尺寸进行测 量，并生成点云数据，保存为STL格式文件以便进行下 一步的CAD模型重建，如图7所示。 2）采用逆向工程商品化软件Geomagic Studio将扫 描后的点云数据进行点云合并、创建为多边形模型和网 格，进而在CATIA造型软件中进行水泵叶轮的三维模 型重建，并对重建三维模型与扫描数据之间误差进行分 析，优化重建模型达到工业误差范围内，如图8所示。 水泵叶轮三维重建模型第37卷  第10期  2015-10(上)  【149】 【148】  第37卷  第10期  2015-10(上) 的模型实体，缩短新产品设计周期，降低产品开发风险 及成本，快速响应市场变化，提高企业竞争力。 RE—RP定制化产品设计系统构建产品个性化定制需求是市场细分背景下的必然趋 势，是以“用户需求”为核心拥有自我实现的个性化产 品设计。产品使用者作为创新设计的主体应参与到整个 创新设计和制造过程，而RE—RP技术将RE技术与RP技 术两种技术相融合，可以形成一种新的产品设计系统， 为定制化设计提供技术支持和手段。